[发明专利]机加工设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用刀具机加工工件表面的机加工设备，更具体涉及一种用于改进能够相对于工件相对地三维地移动刀具的机加工设备的技术，从而使得在机加工表面上的机加工表面精度的周期性改变(如果有)变得不明显。

背景技术

众所周知，通过使用能够相对于工件相对地三维地移动刀具的机加工设备可以进行精加工。作为一种该精加工的典型实施例，存在一种用于精密光学部件的模具的机加工，例如用在液晶显示器中的光导向板、DVD读取透镜(pickuplens)等。这种机加工要求表面精度均匀和纳米级的极高的表面精度。例如，在用于制造光导向板的模具(模型零件)的机加工中，机加工表面所需的机加工精度通常在约1至40nm内变动，如图1如示。然而，不需要机加工精度根据机加工表面的位置而变化。

但是，在实际的机加工中，常常表面精度的不可忽视的改变随着显示定位的周期而发展。例如，如果在图1所示的模型零件的机加工中的表面精度的目标是小于10nm，则可能周期性地产生表面精度降低到10nm至20nm的条型区域，如图2所示。具有降低了表面精度的条型区域的形状根据机加工的类型、形状等发生改变。在例如后面提到的车床加工的情况下，仅仅可以获得同心和径向的形状，并且他们通常共有“显示定位的周期”。

应当理解，由显示定位的周期造成的机加工精度的降低是不需要的。特别地，如果待加工的工件为光学部件或用于制造光学部件的模具(或模型零件)，那么常常光学性能中的局部不匀性肉眼能够识别。即使局部不匀性肉眼不能识别，此外，这种不匀性在很多情况下也可以通过显微镜清楚地观察。总之，降低了使用这种光学部件的设备性能。

根据前述例子(图2)，表面精度本身的减少仅仅超过10nm。然而，由于规则的展开，所以在许多情况下不可能实现光导向板所需要的光学性能。图1示出用模型零件制造的光导向板，其整个机加工表面的表面精度在10nm至20nm的范围内。图2示出用模型零件制造的光导向板，该光导向板包括小于10nm的表面精度和10nm至20nm的表面精度的交替展开区域。这些光导向板之间的不同表明后者比前者更可能在光学性能上产生问题。

在许多情况下，前面提到的周期性加工的不规则性可能认为是由用于安装机加工主轴或机加工设备的阻尼器或类似物的细微振动造成的。尽管通过用振动为纳米级的高性能主轴和阻尼器能够解决这些问题，然而这些元件非常昂贵。而且，在有些情况下，周期性振动的原因无法定位并且不容易复制。

因此，需要一种解决问题的技术，该技术无需昂贵的主轴或阻尼器，并且也适用于周期性振动的原因无法定位的情况。根据本发明的一个实施方式，如下文所述，通过压电元件装置在工件和刀具之间人工地产生精细不规则位移。另一方面，在JP2005-7519A中公开了一种技术，该技术通过使用压电元件切削工件。因此，这种已公开的技术通常与本发明的“利用压电元件在工件和刀具之间产生精细位移”相同。

然而，在JP2005-7519A中公开的技术目的不是解决前述周期性加工不规则性的问题。此外，该申请文件不包括将具有不规则频率和振幅的电压应用到压电元件上的说明，其中将说明与本发明的实施方式有关的压电元件。

发明内容

本发明提供一种技术，该技术解决了由周期性加工不规则性造成的问题，而不用准备任何昂贵的高性能主轴或阻尼器，并且适合于周期性振动原因不确定的情况。

本发明的机加工设备包括：刀具，用于在工件表面上进行机加工；相对运动施加机构，相对于工件在包含机加工深度方向的三维方向中对刀具施加相对运动，刀具在该机加工深度方向上移近以及远离工件表面；和振动位移施加机构，在刀具机加工工件的过程中，在机加工深度方向上对刀具和工件之一施加频率和振幅不规则变化的振动位移。

振动位移施加机构包括压电元件，该压电元件形成与具有不规则频率和振幅的脉动电压成比例的振动位移。该脉动电压可通过使用白噪声发生器而产生。

根据本发明，如果在机加工期间因扰动而产生的规则振动存在于刀具和工件之间，以产生反映振动的周期性机加工不规则性，则刀具在切削方向上的相对位移被施加作为在刀具和工件之间具有不规则可变频率和振幅的振动位移。因此，周期性机加工不规则性通过与振动位移相应的切削而弱化，从而使得机加工精度的不均匀得到改善。